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《无线电》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

1955年创刊,是国内电子科普领域创刊最早、发行量最大的知名杂志,累计发行量超过3亿册,倡导科普、兴趣、实作、分享的办刊理念。

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蛋黄物语——DIY自平衡机器人

2015-04-30 10:18:35

自平衡机器人“蛋黄”(见图1)的创意始于2013 6 月初,当时的想法是利用Arduino 设计一款入门级的自平衡小车,可以通过PS2 无线手柄控制,能站能跑,最好还会卖萌。而且要做到取材容易、制作简单,同时还要注重外观拥有个性。所以我在设计时采用了模块化的接插结构,除了用到的各个电子模块,还用上了乐高积木,使组装就像搭积木一样简单。而“蛋黄”的外形灵感则来自于WALL-E(见图2)。为了让它不占用我书桌太多地方,“蛋黄”的尺寸被限定在了10cm。“蛋黄”是一个开源的项目,我们希望给大家提供一个平台、一套自平衡车的低成本解决方案,所以大家完全可以在“蛋黄”的基础上添砖加瓦,制作一套独一无二的自平衡机器人。

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1 “蛋黄”自平衡机器人

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2 电影《机器人瓦力》中的WALL-E

 

原理简介

两轮车又称自平衡车,主要是建立在“动态稳定”的基本原理上,利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器检测车体姿态的变化,并利用伺服控制系统精确地驱动电机进行相应的调整,以保持系统的平衡。

类似人体自身的平衡系统,当身体重心前倾时,为了保证平衡,需要往前走,重心后倾时则需要往后走。同时,需要转向时,使小车左右两个车轮产生转速差,例如左转时,右轮的转速会比左轮快(左轮速度为为v -x ,右轮速度为v+x ),但车的平均速度是不变的,通过这样的方式即可达到转向的效果。

讲到自动控制,不得不提的是PID 算法,这是一种在工程实际中应用最为广泛的调节器,PID 依次代表的是比例、积分、微分。正如上面的平衡原理中提到的,我们需要检测车体姿态的变化,并以此为依据纠正小车的姿态,也就是说,我们通过惯性元件获取车子的实时姿态数据,根据这个数据和我们期望的目标值之间的误差,控制电机的转向和转速,正如图3 中所示,前倾的话,角度误差为正,那么轮子就需要向前转,反之则是向后转;而且误差越大,需要的车轮加速度越大,这也说明我们可以简单地把误差值乘以一个系数,当作PWM 值赋给电机。

这一整个过程,其实就是控制论里的负反馈调节。那么问题来了,我们怎么知道这个系数是多少呢?其实这个值就是PID 里面的P值,我们可以通过车子的角度曲线找到调节的规律。同样的道理,大家可以想象,如果只用比例P 的话,容易出现的情况是车子前倾时往前猛加速,然后冲过头又导致后仰,接着向后猛加速,如此循环,导致车体震荡,

这时就需要用到微分D。这里的微分指的其实是误差的误差,通过加上这个系数,可以使车子柔和地前后调节,最终达到很好的平衡稳定性。

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3 自平衡驱动图示

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4 MPU6050 6 轴模块



未完。。。

全文详见《无线电》201503

 





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